Q1 臭氧是什么？它在大气的哪里？
臭氧是大气中自然存在的气体。每个臭氧分子含有3个氧原子，化学表示为O3。臭氧主要存在于大气中的两个区域：约有10%的大气臭氧存在于对流层，该区域距离地球最近（距离地表大约10-16公里）；剩余的臭氧（约90%）存在于对流层顶至50公里海拔高度的平流层中。平流层中大量的臭氧通常被称为“臭氧层”。
臭氧是大气中自然存在的气体，由于一个臭氧分子含有3个氧原子，因此其化学式为O3（如图Q1-1）。19世纪中叶时臭氧在实验室试验中被发现。大气中的臭氧后来通过化学和光学测量被发现。单词“ozone”来源于希腊单词“όζειν”（ozein），意为“有气味”。臭氧有一种刺激性气味，即使在很低浓度时可以被检测出来。臭氧可以与许多化合物快速反应且在浓缩时具有爆炸性。电火花通常被用于生产臭氧并应用在空气和水的净化、纺织品和食品漂白等工业过程。
臭氧位置 绝大多数臭氧（约90%）存在于平流层中，高于地表10-16km处至约50km的海拔高度处。平流层区域中具有最高臭氧浓度的区域通常被称为“臭氧层”（如图Q1-2所示）。臭氧层遍布于全球并在高度和厚度上存在差异。绝大多数剩余的臭氧，约为10%存在于对流层，对流层为大气中在地球表面和平流层之间的最低的区域。
臭氧丰度 臭氧分子在大气中的相对丰度较低。在平流层中接近臭氧层浓度峰值的地方一般为每10亿个空气分子中有几千个臭氧分子。绝大多数空气分子为氧气（O2）或氮气（N2）。在接近地表的对流层中，臭氧浓度更低，一般介于每10亿个空气分子中有20-100个臭氧分子。最高的地表臭氧浓度值产生于人类活动造成空气污染时。
图Q 1‑1 臭氧与氧气
一分子臭氧O3含有3个结合在一起的氧原子。占地球大气中气体21%的氧气分子含有结合在一起的2个氧原子。为了形象描述臭氧在我们所处的大气中的低相对丰度，我们可以想象将平流层和对流层中所有的臭氧分子向下运移到地球表面并构建一层可以遍布于整个地球的纯臭氧，那么结果中的臭氧层的平均厚度约为3mm（约为1/10英寸）（见Q4）。然而正是这个大气中极小的部分在保护地球上的生命至关重要(见Q3)。
图Q1‑2大气中的臭氧
臭氧遍布于对流层和平流层中，上述图示廓线显示了在热带地区的臭氧随海拔高度的变化。绝大多数臭氧存在于平流层的“臭氧层”中，该层的垂向幅度或厚度随区域和季节发生变化（见Q4）。近地表的臭氧的增加来自于人类活动所产生的污染。
Q2 臭氧在大气中是如何形成的？
臭氧通过广泛存在于大气中需要阳光参与的多级化学过程形成。在平流层中，该过程起始于一个氧气分子被来自于太阳的紫外辐射分解。在底层大气（对流层），臭氧通过不同系列的化学反应形成，这些反应涉及自然产生的和来自于污染源的气体。
平流层臭氧 平流层臭氧通过涉及太阳紫外辐射（阳光）和占大气21%的氧气分子的化学反应自然形成。在第一步中，太阳紫外辐射将一个氧气分子分解成2个氧原子（如图Q2-1所示）。第二步中，每个高活性的原子与一个氧气分子结合产生一个臭氧分子（O3）。当太阳紫外辐射存在于平流层中时这些反应频繁地发生，使得在热带地区的平流层中具有最大的臭氧生产量。
平流层臭氧的产生量通过其化学反应的破坏消失而被平衡。在太阳光下臭氧不断地与平流层中的多种多样的自然和人为产生的化学物质发生反应。在每个反应中，一个臭氧分子消失伴随着其他化学物质的产生。破坏臭氧的重要反应性气体为氢原子和氮氧化物以及含有氯和溴的物质。
一些平流层臭氧定期会被向下运移到对流层并可以不定期地影响地球表面的臭氧含量，尤其是在地球的一些偏远地区和未受污染的地区。
对流层臭氧 在地球表面，臭氧通过来自于自然源和污染源的气体的化学反应而产生。臭氧生成反应主要涉及碳氢化合物和氮氧化物以及臭氧自身，并且都需要太阳才能完成。化石燃料的燃烧为污染气体的一次源，这些污染气体可以引发对流层臭氧产生。在近地表的臭氧产生对平流层臭氧没有显著贡献，因为近地表的臭氧数量相比平流层很小并且地表空气运移到平流层的效率不高。正如平流层中一样，对流层中的臭氧通过自然发生的化学反应和人类产生的化学物质的反应而被破坏。对流层臭氧也可以与多种多样的表面反应而被破坏，如土壤和植物的表面。
图Q2‑1 平流层臭氧生成
自然条件下在平流层中臭氧通过一个两步反应过程产生，在第一步中太阳紫外辐射（阳光）将一个氧气分子分裂为两个氧原子，第二步中每个原子与另外一个氧气分子碰撞并耦合形成一个臭氧分子。在整个过程中三个氧气分子在太阳光下反应生成两个臭氧分子。
化学过程的平衡 对流层和平流层中的臭氧丰度通过产生和破坏臭氧的化学过程的平衡而决定。该平衡由活性气体的数量和随太阳光强、大气中的位置、温度及其他因素变化的不同反应的速率或有效性决定。当大气条件改变有利于在特定位置的臭氧产生反应，臭氧丰度增加；类似的，如果条件改变有利于其他破坏臭氧层的反应时，臭氧丰度下降。生产和损耗反应的平衡，连同大气空气运动运移和混合不同丰度的臭氧，决定了在时间轴上从几天到几个月的全球臭氧分布（见Q4）。由于人类活动导致平流层中含有氯和溴的活性气体的数量的增加，因此全球臭氧在过去的几十年中已经下降了（见Q13）。
Q3 为什么我们关注大气臭氧？
平流层中的臭氧吸收太阳中大部分对生物有害的紫外辐射，因此由于其有益的角色而被认为是“好的”臭氧。相反，由于在地球表面形成的臭氧超过自然数量会对人类、植物和动物有害而被认为是“坏的”。近地面和底层大气中的自然形成的臭氧在化学去除污染物中扮演重要的有益角色。
臭氧是一种强氧化剂。通过氧化有机物的细胞分子，它可以破坏与其接触的任何有机物。这一特性常被用于对饮用水和游泳池用水的杀菌消毒。对哺乳动物来说，少量吸入臭氧是有害的，而大量吸入则是有毒的。在低空大气中臭氧是污染导致的光化学烟雾的有害组分之一（有害的臭氧）。而在在平流层中，臭氧吸收紫外辐射从而使环境避免遭受UV-B射线的有害影响（有益的臭氧）。
“好的”臭氧 平流层臭氧由于吸收来自于太阳的紫外辐射-B（UV-B）被认为对人类和其他生命形式有利（如图Q3-1所示）。如果不被吸收，UV-B辐射将以有害于多种生命体的数量到达地球表面。对于人类而言，增加UV-B辐射的暴露将增加皮肤癌、白内障和免疫系统抑制的风险。在成年期之前的UV-B辐射暴露和累积暴露均为重要的健康风险因子。过量的UV-B暴露也可以破坏陆生植物，单细胞生物以及水生生态系统。其他UV辐射，UV-A不能显著被臭氧吸收可以引起皮肤的过早老化。
保护“好的”臭氧 在20世纪70年代中叶，人们发现人类活动排放的含有氯和溴原子的气体可能引起平流层臭氧层损耗（见Q6和Q7）。这些被称为卤素源气体和臭氧损耗物质（ODS）在到达平流层后可以在化学反应中释放氯原子和溴原子。臭氧损耗增加了地表UV-B辐射并使其高于自然产生量。国际行动已经通过控制ODS生产和消费成功地保护了臭氧层（见Q15和Q16）。
“坏的”臭氧 近地表的臭氧超过自然产生量被认为是“坏的”臭氧。其通过涉及人类产生的污染气体的化学反应产生。地表臭氧增加高于自然水平不利于人类、植物和其他生命系统，因为臭氧可以发生强烈的反应以破坏或改变许多生物大分子。由空气污染引起的高臭氧暴露减少了作物产量和森林增长。对于人类而言，暴露在高浓度的臭氧下可以减少肺活量，引起胸痛、咽喉刺激、咳嗽以及加重心脏和肺部相关的健康状况。除此之外，由于臭氧自身为温室气体，因此对流层臭氧的增加导致地球表面的暖化（见Q18）。过量的对流层臭氧的负面效应与大量的平流层臭氧可以阻挡UV-B辐射的保护效应形成鲜明的对比。
减少“坏的”臭氧 限制特定的常规污染物的排放可以削减人类、植物和动物周围的空气中过量臭氧的产生。来自于生物圈的自然排放，主要为树木，也可以参与产生臭氧的反应中。主要的污染源包括化石燃料消费和工业活动巨大的大型城市。遍布于全球的许多计划已经成功削减或限制了引起地球表面的过量臭氧产生的污染物的排放。
自然臭氧 当不存在人类活动时，臭氧仍然存在于地球近地表和整个对流层和平流层，这是因为臭氧是清洁大气中的自然组分。在偏远地区的大气中的臭氧在吸收UV辐射过程中扮演重要角色，例如臭氧启动许多污染物的化学清除，如一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx），以及一些温室气体，如甲烷（CH4）。除此之外，臭氧吸收UV-B也是平流层的热源，使得温度随高度增加而增加。平流层温度影响着臭氧产生和消除过程的平衡（见Q2）以及重新分配平流层中臭氧的空气运动。
图Q 3‑1臭氧层的UV保护
臭氧层存在于平流层中并包裹在整个地球上。来自于太阳的UV-B（波长范围为280-315纳米（nm））被该层强烈吸收，使得到达地球表面的UV-B数量被大大削减。UV-A（波长为315-400nm）、可见光和其他太阳辐射不能被臭氧层强烈吸收。人类暴露在UV-B辐射中将增加皮肤癌、白内障以及抑制免疫系统的风险。UV-B辐射暴露也可以破坏陆生植物、单细胞生物和水生生态系统。
Q4 臭氧在全球是怎样分布的？
地球上臭氧的分布随着位置及时间跨度（从日到季节）而变化。这种变化由平流层空气的大规模运动、臭氧的化学生成和破坏所引起。臭氧总量一般在赤道最低，在极地最高。
臭氧总量 地球上任何地方的臭氧总量是指该位置正上方大气中臭氧的总和。绝大多数臭氧分布在平流层，只有小部分（约10%）分布在整个对流层（见Q1）。臭氧总量值通常以多布森单位，表示为“DU”。全球臭氧总量的变化区间为200~500 DU（见图Q4-1）。全球总臭氧量500 DU的臭氧分子会在地球表面形成一个厚度为5mm（0.2英寸）的纯净臭氧气层（见Q1）。
全球分布 臭氧总量在全球随着纬度差异变化很大，最大值出现在中高纬度（见图Q4-1）。这是平流层空气大尺度环流的结果。平流层慢慢输送来自热带地区的臭氧，在这里太阳紫外线辐射导致的臭氧生成量最高，向两极逐渐递减。臭氧在中高纬度积累，臭氧层厚度（或者垂直范围）增加，同时臭氧总量也增加。与此相反，热带地区（除南极臭氧空洞外）所有季节的臭氧总量值是最低的，因为那里的臭氧层厚度是最小的。
季节分布 臭氧总量也随季节变化，如图Q4-1展示的是2009年卫星观测的两周的臭氧平均值。三月和九月的曲线代表了北半球和南半球的春季和秋季早期的臭氧总量。六月和十二月的曲线同样也代表了夏季和冬季早期的臭氧总量。臭氧总量在高纬度地区的春季出现最大值，因为晚秋和冬季臭氧从赤道源区域向极地的传输加强。臭氧传输在夏季和早秋期间较弱，在南半球更弱。臭氧季节变化的一个重要特征是夏天极地平流层日光持续时天然的光化学破坏将导致臭氧总量逐渐减少到早秋时的低值。
这种自然的季节性循环在北半球可以清楚地观测到，如图Q4-1所示，北极的臭氧总量在冬季增加，明显春季出现最大值，从夏季到秋季减少。然而在南极，臭氧总量明显在春季出现最低值，这是“臭氧空洞”造成的。“臭氧空洞”是春季臭氧损耗物质对臭氧大范围化学破坏的结果（见Q6和Q11）。在二十世纪七十年代臭氧空洞每年出现之前，南极地区春季臭氧值相对较高（见Q11）。如今，全球臭氧总量的最低值每年都出现在南极的冬末和春季，如图Q4-1所示。春季过后，由于极地空气与含有更高臭氧值的来自低纬度的空气混合，这些低值从臭氧总量地图中消失。
在热带地区，臭氧总量随季节变化的幅度较极地地区小，这是由于光照和臭氧传输的季节变化在热带地区较在极地地区小。
图Q 4‑1 臭氧总量
臭氧总量指的是该位置正上方大气中臭氧分子的总和。臭氧总量随着纬度、经度、季节而变化，最高值出现在高纬度地区，最低值出现在热带地区。这种变以2009年卫星监测的2周臭氧总量平均值图表示。臭氧总量在热带地区（北纬20°~南纬20°）变化较小，在热带地区外的日变化和季节变化都很强烈，这是由于臭氧含量高的空气从热带地区传输并积累在高纬度地区。2009年9月，南极上空臭氧总量低值导致了“臭氧空洞”。自从二十世纪八十年代以来，冬末春初的臭氧空洞代表了所有季节和纬度臭氧总量的最低值（见Q11）。
自然变化 臭氧总量随着经度和纬度剧烈变化，如图Q4-1所示的季节变化曲线。这种变化的时间尺度小到日变化，大到周变化，归结原因有两点。第一，自然的空气运动以及对流层不同区域间高臭氧值的空气和低臭氧值的空气混合。对流层天气系统可以暂时改变某个区域臭氧层的厚度，并因此改变臭氧总量。空气运动的地理变化又反过来导致臭氧总量分布的变化。第二，臭氧变化也是伴随着全球空气运动的化学生成和损耗过程不断平衡的结果。比如，这种平衡会对区域光照强度十分敏感。
关于化学作用和空气运动如何协同作用导致我们观测到的臭氧总量大尺度变化（如Q4-1所示），目前已经研究人员已经有了深入理解。许多研究者利用卫星、空中和地面仪器对臭氧变化进行常规监测。不间断地对这些监测结果进行分析，为定量人类活动对臭氧损耗的贡献提供了重要基础。
Q5 如何测定大气中的臭氧？
大气中的臭氧含量通过地面仪器、热气球和飞机携带的仪器以及卫星进行测定。部分仪器通过连续抽取大气样品进入小的检测室对臭氧进行原位测定。还有部分仪器利用臭氧独特的光学特性，可以实现长距离远程测定臭氧含量。
大气中臭氧的丰度可以通过多种技术测定（见图Q5-1）。这些技术的原理是利用臭氧独特的光学和化学特性。监测技术主要分为两类：原位测定和远程测定。在监测臭氧层变化、加深控制臭氧丰度的认识上，这些技术必不可少。
原位测定 大气臭氧丰度的原位测定需要将空气直接抽取进仪器。当空气进入仪器的检测器，通过紫外光的吸收或者电流或者化学反应产生的光对臭氧进行测定。最后一种方式被用在“臭氧探空仪”的结构设计上。这种探测仪轻便小巧，臭氧监测模块适合被安置在小型气球上。气球可以升空，远至平流层测定臭氧。“臭氧探空仪”常常被安放在世界各地。利用光学或者化学检测原理的原位臭氧监测仪器也经常被安放在飞行器上，以监测对流层及平流层下部的臭氧分布。高空的科研用飞行器可以到达臭氧层，最高可以深入高纬度的大气圈层。一些商用飞行器也常常会进行一些臭氧监测。
图Q 5‑1 臭氧监测
大气中的臭氧含量通过地面仪器、飞机、高空气球及卫星进行测定。一些仪器利用空气样品监测原位臭氧，另一些则可以实现远程监测。这些仪器利用光学技术，以太阳光或者激光作为光源；检测来自臭氧的热量；或者利用臭氧特有的化学反应进行测定。全球的许多地方都在对臭氧总量及其时空变化进行常规监测。
远程测定 遥远地区臭氧总量的测定以及高空分布特征的识别主要通过远程监测实现。多数的臭氧远程测定依赖于它对紫外光有特定的吸收波段。紫外光源可以是太阳光、激光、星光。例如，卫星利用大气对太阳紫外辐射的吸收率或者地表散射的太阳光的吸收率对几乎全球臭氧进行每日测定。测定反向散射激光的激光雷达仪，常被安放在地面站点或者科研用飞行器上，来检测沿着激光路径每隔几公里的臭氧含量。一系列路基探测器通过检测太阳到达地球表面的紫外辐射量的微小变化来测定臭氧。其他仪器则利用在不同海拔高度，臭氧对红外线或者可见光辐射的吸收率、微波或者红外辐射的不同，获得臭氧垂直分布的信息。利用辐射对夜晚偏远地区，特别是冬季的极地地区持续黑暗情景下的臭氧监测具有突出优势。
小知识1：全球臭氧观测网络
用于臭氧总量常规监测的第一台仪器在二十世纪二十年代的英国由戈登•多布森开发。这台被称为费里光谱仪的仪器，通过用感光板检测太阳紫外辐射波长谱对臭氧进行测定。将仪器分布在欧洲形成一个小的覆盖网络，多布森因此有了重要发现，可以解释臭氧是如何随时空变化的。二十世纪三十年代，多布森研发了新仪器，如今被叫做多布森分光光度计。这台仪器可以精确测定两个紫外波长下的太阳光强度：一个被臭氧强烈吸收，另一个吸收很弱。这种两个波长下光强的不同为原位臭氧总量的监测提供了一种方法。
作为国际物理年的一部分，一个臭氧总量观测站的全球网络于1957年建立。今天，全球大约有100个站点进行臭氧的常规监测，其分布从南极（南纬90°）到加拿大的埃尔斯米尔岛（北纬83°）。对仪器的定期校准和比对确保了观测结果的准确性。从天基臭氧监测仪器退出之前持续至今，从该网络获得的数据一直是研究CFCs以及其他臭氧损耗物质对臭氧层的影响必不可少的基本素材。具有出色的长期稳定性和准确度的地基仪器现在经常被用来协助校准臭氧总量观测结果。先驱的科学家们历来以拥有以其名字命名的度量单位为荣。因此，臭氧总量的度量单位为“多布森单位”（见Q4）。
本文基于2015年别鹏举、翟紫含、李力、高丁、王梓元、李志方、姜含宇、张兆阳、赵梦可等翻译《Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2014 Update》编著